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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Parametern von Schallköpfen und Ultraschallgeräten durch Ermittlung der Fokuslage aus der gemittelten Echosignalamplitude von Streuteilchen, zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit und Konstanz der Messanordnung und der Optimierung der Ansteuerung von Arrays.
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Das Verfahren dient zur Ermittlung der Fokuslage von fokussierenden Ultraschallköpfen, von Einzelelementen von Arrays und bei synthetischer oder elektronischer Fokussierung von Teilen eines Arrays bzw. von einem Gesamtarray.
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Folgendes technisches Problem soll gelöst werden
- – eine schnelle, einfache und nicht-scannende Bestimmung von Schallfeldparametern zur Schallkopfcharakterisierung und somit Prüfung des Schallkopfes,
- – eine Bestimmung der Fokuslage von fokussierenden Schallköpfen – von Prüfköpfen – in einem Fluid, insbesondere in Wasser,
- – eine Charakterisierung von Arrays in Form der Funktionstüchtigkeit der Einzelelemente, eine Feststellung der erreichten Fokuslage in Abhängigkeit von dem eingestellten Verzögerungsregime im Wasser,
- – eine Feststellung der aktiven Schwingergröße für unfokussierte Schallköpfe und Arayelemente,
- – eine einfache und schnelle Charakterisierungsmöglichkeit für Herstellerfirmen,
- – eine einfache und schnelle Charakterisierungsmöglichkeit eines erworbenen Schallkopfes für Anwender.
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Da die Fokuslage im Speziellen auch vom an den Schallkopf angeschlossenen Ultraschallgerät abhängt, stellt das Verfahren eine einfache und schnelle Möglichkeit für Ultraschallanwender dar, um die Eigenschaften des erworbenen Schallkopfes an seinem Ultraschallgerät zu überprüfen und die Konstanz, d. h. eine Beibehaltung der gewünschten Eigenschaften, zu kontrollieren.
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Das Verfahren lässt sich auch mit anderen Flüssigkeiten als Wasser anwenden. In diesem Fall kann die Fokuslage für das Untersuchungsmedium (z. B. Öl, Flüssigmetall) ermittelt werden.
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Stand der Technik
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Herkömmlich erfolgt eine Charakterisierung von Schallköpfen bzgl. des erreichten Schallfeldes bzw. die Überprüfung von Diagnostikgeräten durch Abscannen des Schallfeldes in einem Wasserbad mit einem Punktreflektor oder einem Hydrophon. Der Scannvorgang liefert das Aussehen des Schallfeldes einschließlich der Fokuslage und der zugehörigen Nebenstrukturen. Die dazu erforderliche 3D-Scanneinrichtung, z. B. in der Druckschrift des TÜV Süd: „Automatisierter kalibrierter Hydrophonmessplatz mit Schrittmotorsteuerung” beschrieben, ist teuer und steht nur an wenigen Einrichtungen zur Verfügung, z. B. beim TÜV Süd, beim IZfP oder bei der BAM. Der Scannvorgang dauert mehrere Stunden. Deshalb werden Schallköpfe von Herstellerfirmen häufig ohne eine Überprüfung der Schallfeldparameter ausgeliefert, wodurch es durch Produktionsfehler zu starken Abweichungen in den Schallfeldparametern kommen kann. Dabei haben sich bei der Überprüfung vom Hersteller ausgelieferter Schallköpfe Fokusabweichungen um mehr als 30% ergeben. Da bisher eine einfache Ermittlung der Schallfeldparameter durch den Anwender nicht möglich ist, werden dann häufig mehrere unterschiedliche Schallköpfe erworben, und auf ihre Brauchbarkeit für die spezielle Anwendung überprüft und dadurch ein brauchbarer Schallkopf ausgewählt. Das gilt auch für die Anwendung .fokussierender Schallköpfe oder Arrays in anderen Flüssigkeiten als Wasser, wie z. B. in Flüssigmetallen (GaInSn) und Ölen. Diese Flüssigkeiten besitzen eine andere Schallgeschwindigkeit und teilweise auch eine starke Dämpfung, so dass sich eine andere Fokuslage als in Wasser einstellt.
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Bei Ultraschallanwendungen, bei denen es auf eine genaue Fokussierung und auf die Fokusausdehnung ankommt, z. B. bei einer Prüfung einer Verbundfläche, bei der die Größe der empfindlichen Zone auf der Fläche die Auflösung bestimmt, sind deshalb die Anwender gezwungen, die Schallfeldparameter für die erworbenen, an dem Ultraschallgerät angeschlossenen Schallköpfe selbst zu ermitteln bzw. ermitteln zu lassen.
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Die Charakterisierung von Schallköpfen bzw. die Überprüfung von Diagnostikgeräten durch Abscannen des Schallfeldes im Wasserbad mit einem Punktreflektor oder einem Hydrophon besitzt folgende Nachteile:
- – für die dazu erforderlichen Messanordnungen gibt es keinen kommerziellen Anbieter,
- – ein Eigenbau von auf das Ziel abgestimmten Schallköpfen ist sehr kostenaufwändig und steht nur an wenigen Einrichtungen zur Verfügung, z. B. TÜV, IZfP, BAM,
- – der Scannvorgang dauert mehrere Stunden,
- – für Flüssigkeiten, wie z. B. Flüssigmetalle (GaInSn) oder Öle, ist eine Messung im Schallbad aufgrund der erforderlichen Flüssigkeitsmengen bzw. aufgrund einer Kontamination der Messanordnung problematisch.
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Es ist eine Anordnung und ein Verfahren zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in Medien mittels Ultraschall in der Druckschrift
DE 10 2009 025 464 A1 beschrieben, in denen eine gleichzeitige Messung des Abstandes eines Punktreflektors und der Schallgeschwindigkeit vor dem Punktreflektor mit Hilfe von Ultraschall durchgeführt werden. Bei der Druckschrift
DE 10 2009 025 464 A1 handelt es sich um eine Anordnung und ein Verfahren zur nichtinvasiven, ortsaufgelösten Messung der Schallgeschwindigkeit. D. h. das Verfahren dient der gleichzeitigen Bestimmung der Schallgeschwindigkeit und des Abstandes des Punktreflektors aus der Laufzeit. Dabei werden die Parameter des Schallkopfes als vorgegeben vorausgesetzt.
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In der
Druckschrift Lenz M., Bock M., Kühnicke E., Pal J., Cramer A.: Measurement of the sound velocity in fluids using the echo signals from scattering particles, Ultrasonics, Volume 52, Issue 1, January 2012 ist beschrieben, wie bei der Messung der Schallgeschwindigkeit, beruhend auf der Druckschrift
DE 10 2009 025 464 A1 , eine relative. statistische Messunsicherheit von ungefähr 0,1% erzielt wird. Die dabei erreichte Genauigkeit ermöglicht auch für die Erfindung eine genaue Bestimmung der Fokuslage.
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Die Messung des Schallfeldparameters Fokuslage funktioniert bei fokussierenden Schallköpfen, ebenen Schallköpfen und Arrays. Damit lassen sich diese Schallkopfarten charakterisieren.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung von Parameter von Schallköpfen und Ultraschallgeräten durch Ermittlung der Fokuslage aus der gemittelten Echosignalamplitude von Streuteilchen anzugeben, das derart ausgebildet ist, dass Folgendes erreicht werden soll:
- – bei Einschwingerschallköpfen/Einzelelementen eines ebenen Arrays eine Bestimmung der aktiven Wandlerfläche,
- – für fokussierende Schällköpfe eine Bestimmung der Fokuslage und Fokusausdehnung sowie eine Anzeige von Nebenstrukturen,
- – für Arrays eine Überprüfung der Ansteuerung und eine Bestimmung der Fokuslage,
und außerdem:
- – eine Überprüfung der Schallfeldparameter von Schallköpfen und Arrays in Abhängigkeit vom verwendeten Messsystem, z. B. von den medizinischen Ultraschallgeräten, Rechnern mit Pulser, Echographen, Velocimetern,
- – eine Funktionsprüfung und eine Konstanzprüfung der Messanordnung,
- – eine einfache Bestimmung der Fokuslage in fluiden Medien mit einer anderen Schallgeschwindigkeit als Wasser und unter Dämpfungsbedingungen, da bei fokussierenden Schallköpfen mit Linse der Krümmungsradius der Linse und das Material der Linse vom Hersteller im Allgemeinen nicht angegeben wird, der Anwender die Fokuslage des Schallkopfs nicht berechnen kann und auf eine experimentelle Bestimmung angewiesen ist.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 12 gelöst. Das Verfahren zur Bestimmung von Parameter von Schallköpfen und Ultraschällgeräten durch Ermittlung der Fokuslage der gemittelten Echösignalamplitude von Streuteilchen in einem Medium,
weist gemäß dem Patentanspruch 1
folgende Schritte unter der Voraussetzung, dass bei dem Fluid mit bewegten Streuteilchen im Zeitmittel eine Gleichverteilung der Streuteilchen vorliegt, auf, wobei die Schritte in einer Auswerteeinheit mit dann gespeicherten programmtechnischen Mitteln absolviert werden:
- – Erzeugung der gemittelten Echosignalamplitude durch die Streuteilchen im Fokus bei einer Mittelung über die Echosignale von bewegten Streuteilchen und Bestimmung des Maximums aus der gemittelten Echosignalamplitude,
- – Berechnung der Laufzeit von dem Echosignalmaximum aus bis zum Fokus bei Kenntnis der vom Schallkopf gesendeten Signalform,
- – Berechnung einer Amplituden-Ortskurve aus der Amplituden-Laufzeitkurve bei vorgegebener Schallgeschwindigkeit des Fluids, wobei das Maximum der Amplituden-Ortskurve die Fokuslage des Schallkopfs darstellt,
- – Ermittlung von Schallkopfparametern aus der Fokuslage
- – bei ebenen, unfokussierten Schallköpfen die Elementgröße oder
- – bei fokussierenden Schallköpfen die Einhaltung der Fokuslage bzw. die Fokuslage in einer speziellen Flüssigkeit oder
- – bei jedem Schallkopf eine Bestimmung bzw. Überprüfung eines Schallkopfparameters unter der Voraussetzung, dass die anderen konstruktiven Parameter bekannt sind, z. B. Linsenmaterial, Schwingerkrümmung bzw. Linsenkrümmung, oder
- – bei Arrays die Funktionstüchtigkeit der Fokussierungseinstellung und/oder
- – bei der Messanordnung die Funktionstüchtigkeit und die Konstanz.
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Bei ebenen Schallköpfen/Wandlern kann über eine Ermittlung der Fokuslage eine Bestimmung der aktiven Wandlerfläche durchgeführt werden oder bei Ringen von Annular-Arrays kann über eine Ermittlung der Fokuslage durch Schallfeldberechnung oder aus Nahfeldlänge aus der gemessenen Fokuslage die Größe der aktiven Fläche bestimmt werden oder bei rechteckigen Schallköpfen können über eine Ermittlung der Fokuslage durch Schallfeldberechnung aus der gemessenen Fokuslage eine und der gemessenen Fokusausdehnung die Kantenlängen der aktiven Fläche bestimmt werden.
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Zur Überprüfung der Fokuslage und zur Bestimmung der Fokuslage in unterschiedlichen Medien für fokussierende Schallköpfe kann die Lage des Fokus für das gewählte Ausbreitungsmedium und das eingesetzte Messsystem in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit und der Dämpfung des Mediums ermittelt werden.
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Entstehende Nebenstrukturen, z. B. durch Konstruktionsbesonderheiten des Schallkopfes oder durch falsche Fokussierung können angezeigt werden, wobei der Abstand der Nebenstrukturen vom Schallkopf ermittelt wird. Zur Anpassung und zur Überprüfung der Ansteuerung von Arrays entsprechend der ermittelten aktiven Elementgröße bei Arrays können die Verzögerungszeiten gewählt werden oder durch Einstellung einer bestimmten Fokussierung am Ultraschallgerät und durch Messung kann die Fokussierung für alle Arraytypen – Matrixarrays, Arrays mit Linienelementen, Annular-Arrays – überprüft werden.
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Des Weiteren kann die Konstanz des Ultraschallgerätes und des angeschlossenen Arrays/Schallkopfs überprüft werden.
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Bei Auswertung der Höhe der gemittelten Echosignalamplitude, insbesondere durch Vergleich der Höhe der gemittelten Echosignalamplitude der Einzelelemente können defekte Elemente bestimmt werden.
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Bei der Auswertung der Breite der gemittelten Echosignalamplitude bei einer Fokussierung kann die Breite der gemittelten Echosignalamplitude die Ausdehnung der Fokusfläche liefern, wobei die Flächenausdehnung ein Maß für die Qualität der Fokussierung darstellt.
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Bei einer elektronischen Fokussierung – Sendefokussierung – des Ultraschalls erfolgt eine entsprechende zeitversetzte Ansteuerung der n Einzelwandlerelemente. Eine synthetische Fokussierung des Ultraschalls kann durch Aufnahme des von jedem einzelnen Sendeelement gesendeten und auf dem jeweils interessierenden Empfangselement empfangenen Echosignals und einer anschließenden Überlagerung der Echosignale der Sendeelemente realisiert werden.
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Eine Bestimmung und/oder eine Überprüfung eines Schallkopfparameters eines Schallkopfes können unter der Voraussetzung, dass konstruktive Parameter, z. B. Linsenmaterial, Schwingerkrümmung und/oder Linsenkrümmung vorgegeben sind, durchgeführt werden.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Anordnung zur Bestimmung von Parameter von Schallköpfen durch Ermittlung der Fokuslage der gemittelten Echosignalamplitude von Streuteilchen in einem Medium eingesetzt,
wobei die Anordnung gemäß Patentanspruch 12
zumindest umfasst
- – ein vorgegebenes Ultraschallgerät, das auf n ≥ 1 Kanälen Ultraschallsendesignale erzeugt,
- – ein ein Medium enthaltendes Gefäß mit einem Fluid mit bewegten Streuteilchen oder mit einem Phantom mit Streuteilchen, für das die Schallgeschwindigkeit definiert ist oder für die herrschenden äußeren Bedingungen bereits ermittelt worden ist,
- – eine Aufnahmeeinheit,
- – eine Auswerteeinheit, die die digitalen A-Bilder aus der Aufnahmeeinheit erhält,
wobei die Auswerteeinheit über eine Vielzahl von A-Bildern mittelt und die gemittelte Echosignalamplitude ausgibt und aus dem Maximum der gemittelten Echosignalamplitude folgende Schallfeldparameter
erstens die Lage des Fokus bestimmt,
zweitens außerhalb der Fokuslage liegende Nebenstrukturen feststellt
und
drittens die Fokusausdehnung bestimmt.
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Als Medium kann eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsgemisch mit statistisch verteilten Streuteilchen, die strömen oder diffundieren oder in Brownscher Bewegung sind, eingesetzt sein.
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Als Medium kann aber auch ein Phantom z. B. aus Gel mit eingelagerten Streuern eingesetzt sein.
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Notwendigerweise arbeitet das Ultraschallgerät mit einem Impuls-Echo-Verfahren und nimmt jeweils eine Ausgabe eines A-Bildes vor, wobei ein A-Bild den Verlauf der Echosignalamplitude über der Zeit darstellt.
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Die eingesetzte Aufnahmeeinheit kann wahlweise folgende Einheiten darstellen:
- – für ein System, bestehend aus einem Rechner mit Pulser, eine programmtechnisches Mittel als Schnittstelle zu genutzten programmtechnischen Mittel,
- – für digitale Geräte eine zugehörige Einschubkarte,
- – für analoge Geräte einen Analog-Digital-Wandler.
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Als Streuteilchen definierte Punktreflektoren zur Kalibrierung können Objekte in der Größenordnung der Wellenlänge darstellen, die vorzugsweise kleiner als die gewählten Fokussierungsschritte sind und eine andere Schallkennimpedanz als das Ausbreitungsmedium/Fluid aufweisen.
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Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um die Anwendung des erfindungsgemäßen Messprinzips aus der Druckschrift
DE 10 2009 025 464 A1 zur gleichzeitigen Messung des Abstand eines Punktreflektors und der Schallgeschwindigkeit vor dem Punktreflektor mit Hilfe von Ultraschall, um Schallköpfe und Array in Bezug auf deren nicht definierte oder von den Herstellerangeben abweichende Schallfeldparameter charakterisieren zu können. Durch die Anwendung des Messprinzips wird Schallkopfherstellern, Geräteherstellern und Kunden ein einfaches Mittel in die Hand gegeben, die angestrebten Parameter des Schallkopfes bzw. die wichtigsten Schallfeldeigenschaften und die Konstanz der zu prüfenden Messanordnung zu bestimmen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es im Gegensatz zur Vermessung des Schallfeldes mit Hilfe eines Scann-Vorganges mit einem Punktreflektor einfach, ohne Scann-Einrichtung vor Ort und mit der zu verwendenden Prüfeinrichtung zu realisieren ist. Die Messzeit wird wesentlich verringert, da nicht einmal eine Justage erforderlich ist.
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Zusammenfassend kann angegeben werden, dass im Unterschied zum Messverfahren gemäß der Druckschrift
DE 10 2009 025 464 A1 zur Bestimmung der Fokuslage und zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit von Geräten einschließlich des Schallkopfes handelt. Dazu kann das vorhandene Ultraschallsystem, falls es aus einem Rechner mit Pulser besteht, lediglich mit programmtechnischen Mitteln bzw. bei nicht-programmierbaren Ultraschallgeräten mit einer Einsteckkarte erweitert werden.
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Zur Messung kann als Medium/Fluid Wasser, bzw. die für die Prüfungen verwendete Flüssigkeit/Fluid, in ein Gefäß/Becherglas gefüllt werden. Enthält das Fluid keine Streuteilchen, dann ist es mit Streuteilchen zu versetzen. Soll/Kann der Schallkopf nicht in Wasser eingetaucht werden, kann ein vorgegebenes Phantom mit Streuteilchen, wobei das Phantom eventuell auf einem Schwingtisch bewegt wird, eingesetzt werden.
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Beim Abscannen des Schallfeldes mit einem Punktreflektor wird das Echosignal am größten, wenn sich der Punktreflektor im Fokus befindet. Wie bereits in dem Verfahren gemäß der Druckschrift
DE 10 2009 025 464 A1 zur gleichzeitigen Messung von Abstand eines Punktreflektors und Schallgeschwindigkeit vor dem Punktreflektor mit Hilfe von Ultraschall angegeben, wird erfindungsgemäß ausgenutzt, dass bei einer Flüssigkeit mit bewegten Streuteilchen im Zeitmittel eine Gleichverteilung vorliegt. Deshalb wird bei einer Mittelung über die Echosignale von bewegten Streuteilchen das Maximum der gemittelten Echosignalamplitude durch die Streuteilchen im Fokus erzeugt, d. h. die Laufzeit für das Echosignalmaximum entspricht der Laufzeit zum Fokus. Bei vorgegebener Schallgeschwindigkeit des Mediums, wobei sich die Schallgeschwindigkeit z. B. einfach aus der Laufzeit des Rückwandechos und dem Abstand des Schallkopfes von der Rückwand bestimmen lässt, oder bei Wasser als Funktion der Temperatur definiert ist, wird aus der Schallgeschwindigkeit und der Laufzeit die Fokuslage des Schallkopfes ermittelt. Aus der ermittelten Fokuslage können über die Auswerteeinheit mit gespeicherten programmtechnischen Mitteln wahlweise
- – bei ebenen, unfokussierten Schallköpfen die Elementgröße,
- – bei fokussierenden Schallköpfen die Einhaltung der Fokuslage bzw. die Fokuslage in einer speziellen Flüssigkeit,
- – und bei Arrays die Funktionstüchtigkeit der Fokussierungseinstellung ermittelt werden.
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Zusätzliche Vorteile der Erfindung bestehen in
- – der Bereitstellung eines einfachen und schnellen Verfahrens ohne Scannen und ohne Justage
- – der Bereitstellung eines einfachen und schnellen Verfahrens, das die Möglichkeit der Einhaltung der Parameter des Schallkopfs/Arrays für den Hersteller erlaubt.
- – der Feststellung des Anwenders zu einer Eignung des Schallkopfs/Prüfsystems für die jeweilige Messaufgabe,
- – die Prüfung der Konstanz und bei mehrkanaligen Systemen die Ansteuerung bzw., wenn das Gerät es zulässt, die Möglichkeit, die Ansteuerung anzupassen.
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Weiterbildungen und besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird anhand von mehreren Ausführungsbeispielen mittels mehrerer Zeichnungen erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Darstellung zur Bestimmung der Fokuslage im Medium Wasser für zwei fokussierende Schallköpfe mit einer Keramiklinse und mit einer Plexiglas-Plastiklinse, wobei
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1a gemessene Echosignalamplituden (fett: Approximation mit einem Gaußfit zur besseren Bestimmung der Maximumposition) für Keramiklinse und Plexiglaslinse
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1b ein berechnetes Schallfeld für die Keramiklinse;
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1c ein berechnetes Schallfeld für die Plexiglaslinse zeigen,
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2 eine Darstellung zur Bestimmung der Fokuslage eines Schallkopfes in einem anderen Medium (GaInSn) als Wasser im Vergleich mit Wasser und mit einem Schallkopf mit einer akustischen Linse aus Keramik (d = 16 mm, f = 8 MHz, Linse r = 17 mm), wobei
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2a gemessene Echosignalamlituden der Fokuslage für Wasser und für ein GaInSn-Fluid,
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2b ein berechnetes Schallfeld für Wasser,
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2c ein berechnetes Schallfeld für GaInSn-Fluid zeigen,
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3 Darstellungen zur Bestimmung der Elementgröße des Schallkopfes aus der gemessenen Echosignalamplitude bei zwei unterschiedlichen Annular-Arrays mit durch Schallfeldberechnung vorhergesagten Amplitudenunterschieden, wobei
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3a Echosignalamplituden für ein Composite Annular-Array und
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3b Echosignalamplituden für ein (PZT-Annular-Array mit Elektrodenstrukturierung, jeweils in Abhängigkeit von den Elementen der Arrays,
zeigen,
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4 Darstellungen zur Überprüfung der Fokussierung bei einem Annular-Array mit einem Auffinden von Nebenstrukturen, wobei
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4a einen Aufbau (im Wechsel: dunkel – aktive Fläche, hell – Zwischenraum, engl. sparse) eines Annular-Arrays mit sechs Ringelementen,
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4b berechnete Schallfelder für unterschiedliche Fokuslagen und
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4c gemittelte Echosignalamplituden bei unterschiedlichen Fokuslagen
zeigen,
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5 eine Darstellung zur Konstanzprüfung, wobei aus der gemessenen Echosignalamplitude eine ermittelte Abhängigkeit F = F(T) der Fokuslage F von der Betriebstemperatur T (fokussierenden Schallkopf mit gekrümmtem Schwinger) gezeigt ist,
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6 eine Messung eines Schallfeldes in einem Fluid mit sich bewegenden Streuteilchen, wobei
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6a eine schematische Darstellung der Messung mit Schallkopf (nur Wandlerfläche gezeigt) mit sich bewegenden Streuteilchen und Schallfeld,
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6b Kurvendarstellungen bei Verwendung von Wasser mit unterschiedlichen Temperaturen 6°C und 30°C und
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6c Darstellungen von Lagen des Fokus in Abhängigkeit von unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit c bei Fokussierung mit einem gekrümmten Annular-Array zeigen,
und
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7 eine schematische Block-Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung.
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Das Verfahren dient zur Bestimmung von Parameter von Schallköpfen 12 und Ultraschallgeräten 1 durch Ermittlung der Lage des Fokus 7 aus der gemittelten Echosignalamplitude von Streuteilchen 2 in einem Medium 6 gemäß 7, wobei folgende Schritte unter der Voraussetzung, dass bei dem Fluid 6 mit bewegten Streuteilchen 2 im Zeitmittel eine Gleichverteilung der Streuteilchen 2 vorliegt, in einer Auswerteeinheit 4 mit darin gespeicherten programmtechnischen Mitteln absolviert wenden:
- – Erzeugung der gemittelten Echosignalamplitude durch die Streuteilchen 2 im Fokus 7 bei einer Mittelung über die Echosignale von bewegten Streuteilchen 2 und Bestimmung des Maximums aus der gemittelten Echosignalamplitude,
- – Berechnung der Laufzeit von dem Echosignalmaximum aus bis zum Fokus 7 bei Kenntnis der vom Schallkopf 12 gesendeten Signalform,
- – Berechnung einer Amplituden-Ortskurve aus der Amplituden-Laufzeitkurve bei vorgegebener Schallgeschwindigkeit des Fluids 6, wobei das Maximum der Amplituden-Ortskurve die Fokuslage 7 des Schallkopfs 12 darstellt,
- – Ermittlung von Schallkopfparametern aus der Fokuslage 7
- – bei ebenen, unfokussierten Schallköpfen 12 die Elementgröße oder
- – bei fokussierenden Schallköpfen 12 die Einhaltung der Fokuslage 7 bzw. die Fokuslage 7 in einer speziellen Flüssigkeit 6 oder
- – bei jedem Schallkopf 12 eine Bestimmung bzw. Überprüfung zumindest eines Schallkopfparameters des Schallkopfes 12 unter der Vorraussetzung, dass die anderen konstruktiven. Parameter bekannt sind, z. B. Linsenmaterial, Schwingerkrümmung bzw. Linsenkrümmung, oder
- – bei Arrays die Funktionstüchtigkeit der Fokussierungseinstellung und/oder
- – bei der Mess-Anordnung 10 die Funktionstüchtigkeit und die Konstanz.
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1 zeigt die Bestimmung der Fokuslage 7 für zwei fokussierende Schallköpfe 12. mit einer Linse, wobei der eine Schallkopf 12 mit einer Keramiklinse und der andere Schallkopf mit einer Plexiglaslinse ausgestattet sind. Als Fluid 6 dient Wasser mit sich darin befindlichen Streuteilchen 2. Der Vergleich der gemessenen Echosignalamplituden mit den berechneten Schallfeldern zeigt in 1, dass die Lage des Maximums der gemittelten Echosignalamplitude auf der z-Koordinate eine exakte Fokuslage FK für die Keramiklinse und eine exakte Fokuslage FP für die Plexiglas-Plastiklinse liefert. Die Breite der Echosignalamplituden-Kurve zeigt die Ausdehnung der empfindlichen Zone im jeweiligen Fokusbereich.
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Die 2 zeigt die Bestimmung der Fokuslage 7 für die Messung in einem Flüssigmetall (GaInSn) 6. Gegenüber der Fokuslage FW von Wasser ist es zu einer wesentlichen Verschiebung der Fokuslage FG 7 und der Fokusausdehnung 8 gekommen. Dabei wird ein Schallkopf 12 mit einer akustischen Linse aus Keramik (d = 16 mm, f = 8 MHz, Linse r = 17 mm) eingesetzt, wobei 2a gemessene Echosignalamlituden der Fokuslage FW für Wasser und der Fokuslage FG für GaInSn-Fluid, 2b ein berechnetes Schallfeld für Wasser und 2c ein berechnetes Schallfeld für das GaInSn-Fluid mit den jeweiligen Fokusausdehnungen 8 zeigen.
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Die 3 zeigt am Beispiel zweier unterschiedlicher Annular-Arrays die Bestimmung der Elementgröße der beiden Arrays mit Hilfe des Verfahrens. Bei runden Elementen bzw. ringförmigen Elementen des Schallkopfes 12 kann mit Hilfe der Formel für die Nahfeldlänge N (N = Af/πc, wobei c – die Schallgeschwindigkeit, A – die aktive Elementfläche, f – die Schallfrequenz ist) die aktive Schwingerfläche/Wandlerfläche 14 des Schallkopfes 12 berechnet werden. Beide Arrays wurden jeweils mit Elektroden gleicher Fläche in Einzelelemente strukturiert. Bei den Ergebnissen zu dem Composite-Array in 3a ist bei allen sechs Elementen die Lage des Maximum und somit die aktive Schwingerfläche der Einzelelemente näherungsweise gleich. Bei den Ergebnissen zu dem PZT-Array in 3b nimmt die effektive Schwingerfläche für die äußeren Elemente zu. Das bedeutet, dass mehr als die kontaktierte Fläche schwingt. Entsprechend der tatsächlichen aktiven Fläche können die Ansteuerzeiten gewählt werden. Ebenfalls zeigen sich in 3a und 3b die durch Schallfeldberechnung vorhergesagten Amplitudenunterschiede bei den einzelnen Elementen.
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Die 4 zeigt die Überprüfung der Fokussierung bei einem Annular-Array mit einer Strukturierung entsprechend 4a. Ein Vergleich zwischen modelliertem Schallfeld und der gemessenen. Echosignalamplitude zeigt, dass die angestrebte Fokussierung erreicht wird. Bei der Messung werden auch die erwarteten starken Nebenstukturen detektiert. Dabei zeigen die 4a einen Aufbau (dunkel – aktive Wandlerfläche, hell nichtaktiver Zwischenraum, engl. sparse) eines Annular-Arrays mit sechs Ringelementen, 4b berechnete Schallfelder für verschiedene Fokussierungen und 4c gemittelte Echosignalamplituden bei unterschiedlichen Fokussierungen. Dabei entsprechen die jeweils eingekreisten Ziffern der beiden 4b und 4c einander. Es kennzeichnen die eingekreisten Ziffern 1, 2, 3 Schallfelder 13 in den Fokuslagen 7 und die eingekreisten Ziffern 4, 5, 6 Nebenstrukturen 9 dar.
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Die 5 zeigt die funktionale Abhängigkeit F = F(T) der Fokuslage F eines fokussierenden Schallkopfes mit gekrümmtem Schwinger/gekrümmter Wandlerfläche von der Betriebstemperatur T und demonstriert, dass die Schalifeldparameter von äußeren Einflüssen abhängen. Somit lassen sich mit dem Verfahren auch Konstanzprüfungen durchführen.
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Dazu beinhaltet 5 eine Konstanzprüfung in Form einer aus der gemessenen Echosignalamplitude ermittelten Abhängigkeit der Fokuslage 7 von der Betriebstemperatur, wobei dann die Mess-Anordnung 10 in 7 anstelle des ebenen Schwingers/der ebenen Wandlerfläche einen fokussierenden Schallkopf 12 mit einem gekrümmten Schwinger aufweist.
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In 6 ist eine Messung eines Schallfeldes 13 in einem Fluid 6 mit sich bewegenden Streuteilchen 2 dargestellt, wobei 6a eine schematische Darstellung der Messung mit Schallkopf 12, Schallfeld 13 und sich bewegenden Streuteilchen 2, 6b Kurvendarstellungen der Echosignalamplituden bei Verwendung von Wasser mit unterschiedlichen Temperaturen 6°C und 30°C und 6c Darstellungen von Lagen des Fokus 7 in Abhängigkeit von den Schallgeschwindigkeiten c1 und c2 bei Fokussierung mit einem gekrümmten Annular-Array zeigen.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird gemäß 7 eine Anordnung 10 zur Bestimmung von Parameter eines Schallkopfes 12 durch Ermittlung der Fokuslage 7 der gemittelten Echosignalamplitude von Streuteilchen 2 eingesetzt,
wobei die Anordnung 10 zumindest umfasst
- – ein vorgegebenes Ultraschallgerät 1, das auf n ≥ 1 Kanälen 11 Ultraschallsendesignale erzeugt,
- – ein ein Medium 6 enthaltendes Gefäß 5 mit einem Fluid mit bewegten Streuteilchen 2 oder mit einem Phantom (flüssiges Medium oder festes Medium) mit Streuteilchen 2, wobei für das eingesetzte Medium die Schallgeschwindigkeit definiert ist oder für die herrschenden äußeren Bedingungen bereits vorher ermittelt worden ist,
- – eine Aufnahmeeinheit 3,
- – eine Auswerteeinheit 4, die die digitalen A-Bilder aus der Aufnahmeeinheit 3 erhält,
wobei die Auswerteeinheit 4 über eine Vielzahl von A-Bildern mittelt und die gemittelte Echosignalamplitude ausgibt und aus dem Maximum der gemittelten Echosignalamplitude folgende Schallfeldparameter
erstens die Lage des Fokus 7 bestimmt,
zweitens außerhalb der Fokuslage liegende Nebenstrukturen 9 (wie in 4b und 4c) feststellt und
drittens die Fokusausdehnung 8 bestimmt.
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Zwischen dem Schallkopf 12 und dem Ultraschallgerät 1 und der Aufnahmeeinheit können eine Signalleitungsweiche und ein Verstärker eingeschaltet sein. Bei ebenen Schallköpfen/Wandlern kann über eine Ermittlung der Fokuslage eine Bestimmung der aktiven Schallkopffläche/Wandlerfläche durchgeführt werden oder
bei Ringen von Annular-Arrays kann über eine Ermittlung der Fokuslage durch Schallfeldberechnung oder aus der Nahfeldlänge aus der Fokuslage die Größe der aktiven Fläche/Wandlerfläche bestimmt werden oder
bei rechteckigen Schallköpfen können über eine Ermittlung der Fokuslage durch Schallfeldberechnung aus der Fokuslage eine und der Fokusausdehnung die Kantenlängen der aktiven Fläche/Wandlerfläche bestimmt werden.
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Zur Überprüfung der Fokuslage 7 und zur Bestimmung der Fokuslage 7 in unterschiedlichen Medien für fokussierende Schallköpfe 12 kann die Lage des Fokus 7 für das gewählte Ausbreitungsmedium 6 und das eingesetzte System in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit c und der Dämpfung des Mediums 6 ermittelt werden.
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Entstehende Nebenstrukturen 9, z. B. durch Konstruktionsbesonderheiten des Schallkopfes 12 oder durch falsche Fokussierung, können angezeigt werden, wobei der Abstand der Nebenstrukturen 9 vom Schallkopf 12 ermittelt wird. Zur Anpassung und zur Überprüfung der Ansteuerung von Arrays entsprechend der aktiven Elementgröße bei Arrays können Verzögerungszeiten gewählt werden oder durch Einstellung einer bestimmten Fokussierung am Ultraschallgerät 1 und durch Messung kann die Fokussierung für alle Arraytypen – Matrixarrays, Arrays mit Linienelementen, Annular-Arrays – überprüft werden.
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Des Weiteren kann die Konstanz des Ultraschallgerätes 1 und des angeschlossenen Arrays/Schallkopfs 12 überprüft werden.
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Bei Auswertung der Höhe der gemittelten Echosignalamplitude, insbesondere durch Vergleich der Höhe der gemittelten Echosignalamplitude der Einzelelemente können insbesondere defekte Elemente bestimmt werden.
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Bei der Auswertung der Breite der gemittelten Echosignalamplitude bei einer Fokussierung kann die Breite der gemittelten Echosignalamplitude die Ausdehnung 8 der Fokusfläche liefern, wobei die Flächenausdehnung 8 ein Maß für die Qualität der Fokussierung darstellt.
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Bei einer elektronischen Fokussierung – Sendefokussierung – des Ultraschalls erfolgt eine entsprechende zeitversetzte Ansteuerung der n Einzelwandlerelemente. Eine synthetische Fokussierung des Ultraschalls kann durch Aufnahme des von jedem einzelnen Sendeelement gesendeten und auf dem jeweils interessierenden Empfangselement empfangenen Echosignals und einer anschließenden Überlagerung der Echosignale der Sendeelemente realisiert werden.
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Eine Bestimmung und/oder eine Überprüfung eines Schallkopfparameters eines Schallkopfes 12 kann unter der Vorraussetzung, dass die anderen konstruktiven Parameter z. B. Linsenmaterial, Schwingerkrümmung und/oder Linsenkrümmung vorgegeben sind, durchgeführt werden.
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Als Medium 6 kann eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsgemisch mit statistisch verteilten Streuteilchen 2, die strömen oder diffundieren oder in Brownscher Bewegung sind, eingesetzt sein.
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Als Medium 6 kann aber auch ein Phantom z. B. aus Gel mit eingelagerten Streuteilchen 2 eingesetzt sein.
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Notwendigerweise arbeitet das Ultraschallgerät 1 mit einem Impuls-Echo-Verfahren und nimmt jeweils eine Ausgabe eines A-Bildes vor.
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Die eingesetzte Aufnahmeeinheit 3 kann wahlweise folgende Einheiten darstellen:
- – für ein System, bestehend aus einem Rechner mit Pulser, ein programmtechnisches Mittel als Schnittstelle zu genutzten programmtechnischen Mitteln,
- – für digitale Ultraschallgeräte eine zugehörige Einschubkarte,
- – für analoge Ultraschallgeräte einen Analog-Digital-Wandler.
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Als Streuteilchen 2 definierte Punktreflektoren können Objekte in der Größenordnung der Wellenlänge darstellen, die vorzugsweise kleiner als die gewählten Fokussierungsschritte sind und eine andere Schallkennimpedanz als das Ausbreitungsmedium/Fluid 6 aufweisen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch als ein Verfahren zur Ermittlung der Fokuslage von fokussierenden Ultraschallköpfen, von Einzelelementen von Arrays und bei synthetischer oder elektronischer Fokussierung von Teilen eines Arrays bzw. eines Gesamtarrays charakterisiert werden.
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Es liegt also eine Verwendung von Elementen der bekannten Anordnung zur kombinierten Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und Abständen in Medien mittels Ultraschall für das Verfahren zur Bestimmung von Parametern von Schallköpfen 12 und Ultraschallgeräten 1 durch Ermittlung der Lage des Fokus 7 aus der gemittelten Echosignalamplitude von Streuteilchen 2 bei vorgegebener Schallgeschwindigkeit des Fluids unter Verwendung von zugeordneten programmtechnischen Mitteln in der Auswerteeinheit 4 vor.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ultraschallgerät
- 2
- Streuteilchen
- 3
- Aufnahmeeinheit
- 4
- Auswerteeinheit
- 5
- Gefäß
- 6
- Fluid
- 7
- Fokus/Fokuslage
- 8
- Fokusausdehnung
- 9
- Nebenstruktur
- 10
- Anordnung
- 11
- Kanäle
- 12
- Schallkopf
- 13
- Schallfeld
- 14
- Wandlerfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009025464 A1 [0009, 0009, 0010, 0028, 0030, 0032]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Druckschrift Lenz M., Bock M., Kühnicke E., Pal J., Cramer A.: Measurement of the sound velocity in fluids using the echo signals from scattering particles, Ultrasonics, Volume 52, Issue 1, January 2012 [0010]
